專利名稱：熱驅(qū)動微型電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，特別涉及熱驅(qū)動微型電場傳感器。
背景技術(shù)：
電場強度是一個十分重要的跨學(xué)科特性參量。電場強度的測量在航空航天、地學(xué)與環(huán)境檢測和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用，例如在航空航天領(lǐng)域，大氣電場的強度值被列為航天器能否發(fā)射的重要條件之一，為保障飛行器的安全升空，航天部門十分重視飛行器發(fā)射前雷電的實時探測與監(jiān)測；在地學(xué)與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，電場檢測被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)流研究、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、氣象及沙塵的預(yù)報、石油及礦產(chǎn)勘探、大氣污染檢測等方面；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，過強的電場會使精密的電子設(shè)備失靈，甚至損壞這些精密的電子設(shè)備，因而在一些精密電子設(shè)備的生產(chǎn)和使用過程中，需要知道其生產(chǎn)環(huán)境或工作環(huán)境中的電場強度，以免設(shè)備失靈或損壞。
目前已有若干種電場傳感器，根據(jù)不同的應(yīng)用背景、應(yīng)用環(huán)境和檢測范圍，電場傳感器可分為大氣電場檢測、海底電場檢測、電力系統(tǒng)或電器設(shè)備周圍電場檢測、精密電子設(shè)備生產(chǎn)與使用環(huán)境電場檢測等；根據(jù)其工作原理，可分為電荷感應(yīng)式和光學(xué)式兩類。電荷感應(yīng)式電場傳感器制作技術(shù)比較成熟，量程大，精度較高，但是由于其體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，在應(yīng)用中受到了一定的限制。光學(xué)式電場傳感器響應(yīng)速度快，噪聲較低，但是一般測量范圍較窄，成本較高，且不適合于測量靜電場。
本發(fā)明人曾提出了基于微細(xì)加工技術(shù)的垂直振動式微型電場傳感器方案(發(fā)明專利申請?zhí)?2147377.3)和平行振動式微型電場傳感器方案(發(fā)明專利申請?zhí)?3106433.7)。本發(fā)明在前兩者的基礎(chǔ)上提出了采用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)屏蔽電極在平面內(nèi)相對于其下方的感應(yīng)電極做來回周期運動，采用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是在較小的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流下就可以實現(xiàn)較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移，而且可以實現(xiàn)較快的響應(yīng)速度，較小的驅(qū)動電壓有利于減少驅(qū)動電極對感應(yīng)電極信號的耦合干擾，從而提高電場檢測信號的信噪比和靈敏度，較小的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流的另一個好處是可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成電路作為微型電場傳感器的激振信號源，這樣有利于傳感器和信號激勵與檢測電路的進(jìn)一步集成；另外這種熱驅(qū)動微型電場傳感器的感應(yīng)電極分為正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極兩組，感應(yīng)電極上的電流信號采用差分的方式輸出，這樣能夠顯著降低共模干擾，從而提高電場檢測信號的信噪比和靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱驅(qū)動微型電場傳感器，使傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、易于集成的特點，且提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種熱驅(qū)動微型電場傳感器，其采用熱應(yīng)力驅(qū)動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、易于集成的特點；其測量的電流信號采用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，包括基底、感應(yīng)電極、屏蔽電極和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分；其還包括驅(qū)動電極和熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動電極有兩極，兩極固接于基底上表面，并串接于開關(guān)電路，兩極間由一熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)相連，熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)懸空，其中點一側(cè)通過一連桿與屏蔽電極的一端相連；屏蔽電極水平固接于支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)由固定錨和微彈性梁組成，微彈性梁呈框狀，固接于屏蔽電極四周緣，微彈性梁的框狀上設(shè)有復(fù)數(shù)個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨固接，固定錨固接于基底上表面；感應(yīng)電極處于屏蔽電極正下方，由正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極組成，兩組電極固接于基底上表面，相互不連接，且與屏蔽電極之間有一間隙；屏蔽電極接地，正感應(yīng)電極與差分放大電路的正極相連，負(fù)感應(yīng)電極與差分放大電路的負(fù)極相連；對驅(qū)動電極加一方波電壓，以熱應(yīng)力驅(qū)動熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)做雙向水平位移，帶動屏蔽電極在水平方向上振動，以得到正、負(fù)感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷形成的與外部電場強度成正比的交變電流信號，實現(xiàn)外電場的探測。
所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其所述熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)，為V型梁熱驅(qū)動器或冷熱梁熱驅(qū)動器，用多晶硅或摻雜單晶硅材料制作。
所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其所述V型梁熱驅(qū)動器，為單個V型梁結(jié)構(gòu)，V型梁兩端分別與驅(qū)動電極兩極連接，尖端與連桿一端連接；或為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以三個V型梁組成，其中兩個V型梁的兩端分別與驅(qū)動電極兩極連接，兩個尖端分別與第三個V型梁的兩端連接，第三個V型梁的尖端與連桿一端連接。
所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其所述冷熱梁熱驅(qū)動器，由窄梁和寬梁兩部分組成，窄梁與寬梁串接后折彎，支腳分別與驅(qū)動電極兩極連接，其折點與連桿一端連接；或已折彎的兩個串接的窄梁與寬梁，兩支腳分別與驅(qū)動電極兩極連接，兩折點相接，且與連桿一端連接。
所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其所述V型梁熱驅(qū)動器或冷熱梁熱驅(qū)動器，可以由單個熱驅(qū)動器組成，也可以是復(fù)數(shù)個單體熱驅(qū)動器的并聯(lián)組合。
所述的傳感器，其所述屏蔽電極、正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極的數(shù)量相同。
所述的傳感器，其加在驅(qū)動電極兩級上的驅(qū)動電壓大小相等，方向相反，保證屏蔽電極上的電位等于零，達(dá)到屏蔽電極接地的目的。
本發(fā)明工作原理屬于電荷感應(yīng)式，是傳統(tǒng)電荷感應(yīng)式電場傳感器的微型化，但其實現(xiàn)屏蔽電極周期運動的驅(qū)動方法不同，傳統(tǒng)的電荷感應(yīng)式電場傳感器一般是采用微電機來實現(xiàn)屏蔽電極的周期旋轉(zhuǎn)運動，本發(fā)明的基于MEMS工藝制備的熱驅(qū)動微型電場傳感器是采用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)來驅(qū)動屏蔽電極，這種熱驅(qū)動的微型電場傳感器具有體積小、重量輕、易于集成、可以批量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明熱驅(qū)動微型電場傳感器的工作原理圖；圖2是用于微型電場傳感器的熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)工作原理圖；圖3是熱驅(qū)動微型電場傳感器的屏蔽電極與熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖；圖4是熱驅(qū)動微型電場傳感器的基底與感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
見圖1、圖3、圖4，本發(fā)明的熱驅(qū)動微型電場傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要包括基底8、感應(yīng)電極、屏蔽電極1、驅(qū)動電極4、熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分。其中，驅(qū)動電極4有兩極，兩極固接于基底8上表面，并串接于開關(guān)電路，兩極間由一熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5相連，熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5懸空，其中點一側(cè)通過一連桿9與屏蔽電極1的一端相連。
屏蔽電極1水平固接于支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)由固定錨6和微彈性梁7組成，微彈性梁7呈框狀，固接于屏蔽電極1四周緣，微彈性梁7的框狀上設(shè)有復(fù)數(shù)個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨6固接，固定錨6固接于基底8上表面。
感應(yīng)電極處于屏蔽電極1正下方，由正感應(yīng)電極2和負(fù)感應(yīng)電極3組成，兩組電極固接于基底8上表面，相互不連接，且與屏蔽電極1之間有一定的間隙。
屏蔽電極1接地，正感應(yīng)電極2與差分放大電路的正極相連，負(fù)感應(yīng)電極3與差分放大電路的負(fù)極相連。
對驅(qū)動電極4加一方波電壓，以熱應(yīng)力驅(qū)動熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5做雙向水平位移，帶動屏蔽電極1在水平方向上振動，以得到正、負(fù)感應(yīng)電極2、3上感應(yīng)電荷形成的與外部電場強度E成正比的交變電流信號，實現(xiàn)外電場的探測。
熱驅(qū)動微型電場傳感器的工作原理如圖1所示，接地的屏蔽電極1由圖2中的熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5驅(qū)動在平面內(nèi)做來回周期運動，當(dāng)屏蔽電極1位于圖1(a)的初始位置時，正感應(yīng)電極2被屏蔽電極1所屏蔽，在其表面只能感應(yīng)出很少量的感應(yīng)電荷，負(fù)感應(yīng)電極3完全暴露，在外部電場E的作用下，在其表面上感應(yīng)出與外電場E成正比的電荷，當(dāng)屏蔽電極1位于圖1(b)所示的終止位置時，正感應(yīng)電極2被暴露，在其表面上感應(yīng)出與外電場E成正比的電荷，此時負(fù)感應(yīng)電極3被接地屏蔽電極1屏蔽，在其表面上只能感應(yīng)出很少量的感應(yīng)電荷，當(dāng)屏蔽電極1在圖1(a)和圖1(b)的初始位置與終止位置之間做來回周期運動時，其下方的正感應(yīng)電極2和負(fù)感應(yīng)電極3由于外電場E的作用在它們表面上的感應(yīng)電荷數(shù)量將做周期變化，隨時間周期變化的感應(yīng)電荷將形成與外部電場強度E成正比的交變電流，該電流信號經(jīng)差分放大電路和后續(xù)電路處理后得到一可測量的與外部電場強度E成正比的電信號，從而實現(xiàn)測量外部空間電場強度的目的，將感應(yīng)電極分為正負(fù)兩組，采用差分的方式來檢測感應(yīng)電極上的電流信號可以大大降低共模噪聲，提高電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
圖2是用于驅(qū)動屏蔽電極1在平面內(nèi)做來回周期運動的熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5，如圖2(a)所示，當(dāng)在固定在硅基底8上的驅(qū)動電極4上加上+V和-V的驅(qū)動電壓時，用多晶硅或摻雜單晶硅制作的與其下方硅片基底8有一定間隙的V型梁熱驅(qū)動器5將會由于焦耳熱效應(yīng)受熱膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使其中間的尖端向右運動，如果在驅(qū)動電極4上加一個如圖2(c)所示的方波電壓，多晶硅或摻雜單晶硅V型梁熱驅(qū)動器5將會周期性地受熱與冷卻，從而可以實現(xiàn)在平面內(nèi)的來回周期運動。如果如圖2(b)所示，將這種V型梁熱驅(qū)動器5級聯(lián)起來，可以將V型梁熱驅(qū)動器5所能實現(xiàn)的驅(qū)動位移放大，即可以在同樣的驅(qū)動電壓下實現(xiàn)更大的驅(qū)動位移。除了可以采用圖2(a)和圖2(b)所示的V型梁熱驅(qū)動器5外，還可以采用圖2(d)和圖2(e)所示的冷熱梁熱驅(qū)動器5，它們的特點是多晶硅或摻雜單晶硅梁分為窄梁與寬梁兩部分，如圖2(d)所示的窄梁與寬梁為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)在驅(qū)動電極上加一定的驅(qū)動電壓時，窄梁由于電阻比寬梁大，由于焦耳熱效應(yīng)生成的熱量比寬梁多，導(dǎo)致窄梁的溫度比寬梁高，其熱變形的程度也比寬梁大，從而導(dǎo)致其右端發(fā)生如圖所示的逆時針變形運動，產(chǎn)生一定的驅(qū)動力與驅(qū)動位移，這種熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)的缺點是其驅(qū)動的軌跡是弧線，在使用時有所不便，而且由于其結(jié)構(gòu)的不對稱性，難以控制其驅(qū)動部位的電位，但如果采用圖2(e)所示的冷熱梁熱驅(qū)動器5，就可以克服這些不足，圖2(e)是把兩個并聯(lián)的冷熱梁熱驅(qū)動器5串聯(lián)起來，這樣可以在其中間的驅(qū)動部分實現(xiàn)直線驅(qū)動位移，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，也容易控制中間驅(qū)動部位的電位。之所以要控制驅(qū)動部位的電位是因為在微型電場傳感器中，需要將熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5與接地的屏蔽電極1相連，這樣必須保證驅(qū)動部位的電位等于零，才能達(dá)到屏蔽電極1接地的目的。如果工作時的驅(qū)動力不夠大，還可以象圖2(f)和圖2(g)所示的那樣，將多個V型梁熱驅(qū)動器5或冷熱梁熱驅(qū)動器5并聯(lián)起來，這樣可以獲得更大的驅(qū)動力。
如圖3所示，將級聯(lián)結(jié)構(gòu)的V型梁熱驅(qū)動器5與接地屏蔽電極1連接起來，屏蔽電極1通過微彈性梁7和固定錨6固定在硅基底8上(如圖4所示的感應(yīng)電極正感應(yīng)電極2和負(fù)感應(yīng)電極3，位于圖3所示的屏蔽電極1的下方，且與上方的屏蔽電極1之間有一定的間隙)，這樣就可以使用V型梁熱驅(qū)動器5來驅(qū)動屏蔽電極1使其在平面內(nèi)相對于其下方的正感應(yīng)電極2和負(fù)感應(yīng)電極3做來回周期運動，從而實現(xiàn)對正感應(yīng)電極2和負(fù)感應(yīng)電極3的周期性暴露與屏蔽。當(dāng)然除了可以采用V型梁熱驅(qū)動器5以外，也可以采用圖2(e)所示的冷熱梁熱驅(qū)動器5來驅(qū)動接地屏蔽電極1。相對于傳統(tǒng)的靜電梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)來說，采用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)5的優(yōu)點是在較小的驅(qū)動電壓與驅(qū)動電流下就可以獲得較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移，同時能夠?qū)崿F(xiàn)較快的響應(yīng)速度，較小的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流不僅可以減小激勵信號源對感應(yīng)電極信號的耦合干擾，而且可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電路作為激勵信號源，這樣便于器件與電路的進(jìn)一步集成；熱驅(qū)動的另一優(yōu)點是驅(qū)動結(jié)構(gòu)緊湊，只需要占用很少的芯片面積，這樣可以提高感應(yīng)電極的面積，從而有利于提高電場信號檢測的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種熱驅(qū)動微型電場傳感器，其特征在于，采用熱應(yīng)力驅(qū)動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、易于集成的特點；其測量的電流信號采用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。
2.如權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，包括基底、感應(yīng)電極、屏蔽電極和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分；其特征在于，還包括驅(qū)動電極和熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動電極有兩極，兩極固接于基底上表面，并串接于開關(guān)電路，兩極間由一熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)相連，熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)懸空，其中點一側(cè)通過一連桿與屏蔽電極的一端相連；屏蔽電極水平固接于支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)由固定錨和微彈性梁組成，微彈性梁呈框狀，固接于屏蔽電極四周緣，微彈性梁的框狀上設(shè)有復(fù)數(shù)個支腳，支腳伸向下方的端部與片狀固定錨固接，固定錨固接于基底上表面；感應(yīng)電極處于屏蔽電極正下方，由正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極組成，兩組電極固接于基底上表面，相互不連接，且與屏蔽電極之間有一定的間隙；屏蔽電極接地，正感應(yīng)電極與差分放大電路的正極相連，負(fù)感應(yīng)電極與差分放大電路的負(fù)極相連；對驅(qū)動電極加一方波電壓，以熱應(yīng)力驅(qū)動熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)做雙向水平位移，帶動屏蔽電極在水平方向上振動，以得到正、負(fù)感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷形成的與外部電場強度成正比的交變電流信號，實現(xiàn)外電場的探測。
3.如權(quán)利要求2所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其特征在于，所述熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)，為V型梁熱驅(qū)動器或冷熱梁熱驅(qū)動器，用多晶硅或摻雜單晶硅材料制作。
4.如權(quán)利要求3所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其特征在于，所述V型梁熱驅(qū)動器，為單個V型梁結(jié)構(gòu)，V型梁兩端分別與驅(qū)動電極兩極連接，尖端與連桿一端連接；或為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以三個V型梁組成，其中兩個V型梁的兩端分別與驅(qū)動電極兩極連接，兩個尖端分別與第三個V型梁的兩端連接，第三個V型梁的尖端與連桿一端連接。
5.如權(quán)利要求3所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其特征在于，所述冷熱梁熱驅(qū)動器，由窄梁和寬梁兩部分組成，窄梁與寬梁串接后折彎，支腳分別與驅(qū)動電極兩極連接，其折點與連桿一端連接；或已折彎的兩個串接的窄梁與寬梁，兩支腳分別與驅(qū)動電極兩極連接，兩折點相接，且與連桿一端連接。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的熱驅(qū)動微型電場傳感器，其特征在于，所述V型梁熱驅(qū)動器或冷熱梁熱驅(qū)動器，由單個熱驅(qū)動器組成，或是復(fù)數(shù)個單體熱驅(qū)動器的并聯(lián)組合。
7.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述屏蔽電極、正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極的數(shù)量相同。
8.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，加在驅(qū)動電極兩極上的驅(qū)動電壓大小相等，方向相反，保證屏蔽電極上的電位等于零，達(dá)到屏蔽電極接地的目的。
全文摘要
一種熱驅(qū)動微型電場傳感器，其采用熱應(yīng)力驅(qū)動屏蔽電極，在水平方向上振動，使傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、易于集成的特點；其測量的電流信號采用差分方式輸出，提高了電場檢測信號的信噪比與靈敏度。本發(fā)明以較小的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流不僅可以減小激勵信號源對感應(yīng)電極信號的耦合干擾，而且可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電路作為激勵信號源；熱驅(qū)動微型電場傳感器的感應(yīng)電極分為正感應(yīng)電極和負(fù)感應(yīng)電極兩組，采用差分的方法檢測，這樣可以大大降低共模干擾，從而提高電場信號檢測的信噪比與靈敏度。
文檔編號G01R29/00GK1828317SQ200510051260
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月3日
發(fā)明者夏善紅, 陳賢祥, 白強, 陳紹鳳 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所